Исследователи добрались до квантового предела при помощи крошечного наноустройства

Если вы пытаетесь настроиться на радиостанцию, передатчик которой находится очень далеко, то сигнал этой радиостанции, как правило, искажается шумами. Шум возникает в результате работы электронных схем, которые пытаются максимально усилить слабый сигнал для того, чтобы иметь возможность детектировать несомую им звуковую информацию. Согласно законам физики и квантовой механики, любое усиление сигнала добавляет в него некоторый уровень шумов, и в начале 1980-х годов американский физик Карлтон Кэйвс (Carlton Caves) теоретически доказал, из-за принципа неопределенности Гейзенберга при максимальном усилении к сигналу добавляются квантовые шумы, составляющие по крайней мере половину его энергетического спектра. Этот вид шумов не играет особой роли в радиосигналах, используемых в нашей повседневной жизни. Но он оказывает огромное влияние на работу измерительных устройств, используемых в различных научных экспериментах и исследованиях. Именно поэтому ученые уже достаточно давно пытались разработать малошумящие усилители, параметры которых приближаются к теоретическому пределу Карлтона Кэйвса.

Успеха в деле создания малошумящего усилителя удалось добиться исследователям из университета Аальто и университета Йювяскюля, Финляндия. Они разработали новый метод высокоточного измерения параметров микроволновых сигналов, который может быть использован в технологиях обработки квантовой информации, для эффективного преобразования сигналов различного диапазона, начиная от микроволнового и заканчивая оптическим, и многого другого.

«Квантовый предел усилителя является важным параметром при измерении слабых квантовых сигналов, используемых в технологиях квантовых вычислений или в экспериментах по исследованиям квантовой механики» — рассказывает профессор Мика Силланпаа (Professor Mika Sillanpaa), — «Ведь паразитный шум является фактором, ограничивающим величину сигнала, который может быть измерен с приемлемой погрешностью».

До последнего времени усилителем, параметры которого были максимально приближены к квантовому пределу, был полностью электронный усилитель на сверхпроводящих туннельных переходах, созданный еще в 1980-х годах, но эта технология обладает целым рядом существенных недостатков. Новый усилитель построен на базе наномеханического резонатора, вибрирующей мембраны и двумя сверхпроводящими сопутствующими квантовыми схемами.

Измерения параметров сигналов, произведенные при помощи регистрации изменений частоты колебаний наномеханического резонатора, имеют самую высокую точность на сегодняшний день. При этом, данное устройство позволяет выполнить преобразование частоты квантового сигнала, одновременно усиливая его с достаточно большим коэффициентом.

«Такое устройство позволит передавать информацию от сверхпроводящих квантовых битов, кубитов, так называемым «подвешенным кубитами», выполняя преобразование сигнала из микроволнового диапазона в оптический и наоборот» — рассказывает профессор Теро Хейккила (Tero Heikkila), — «Так же наш метод усиления и измерения сигналов найдет применение в области квантового шифрования данных и во многих других областях, где требуется обработка чрезвычайно слабых сигналов».